6 research outputs found

    Multi-Robot Persistent Coverage in Complex Environments

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    Los recientes avances en rob贸tica m贸vil y un creciente desarrollo de robots m贸viles asequibles han impulsado numerosas investigaciones en sistemas multi-robot. La complejidad de estos sistemas reside en el dise帽o de estrategias de comunicaci贸n, coordinaci贸n y controlpara llevar a cabo tareas complejas que un 煤nico robot no puede realizar. Una tarea particularmente interesante es la cobertura persistente, que pretende mantener cubierto en el tiempo un entorno con un equipo de robots moviles. Este problema tiene muchas aplicaciones como aspiraci贸n o limpieza de lugares en los que la suciedad se acumula constantemente, corte de c茅sped o monitorizaci贸n ambiental. Adem谩s, la aparici贸n de veh铆culos a茅reos no tripulados ampl铆a estas aplicaciones con otras como la vigilancia o el rescate.Esta tesis se centra en el problema de cubrir persistentemente entornos progresivamente mas complejos. En primer lugar, proponemos una soluci贸n 贸ptima para un entorno convexo con un sistema centralizado, utilizando programaci贸n din谩mica en un horizonte temporalnito. Posteriormente nos centramos en soluciones distribuidas, que son m谩s robustas, escalables y eficientes. Para solventar la falta de informaci贸n global, presentamos un algoritmo de estimaci贸n distribuido con comunicaciones reducidas. 脡ste permite a los robots teneruna estimaci贸n precisa de la cobertura incluso cuando no intercambian informaci贸n con todos los miembros del equipo. Usando esta estimaci贸n, proponemos dos soluciones diferentes basadas en objetivos de cobertura, que son los puntos del entorno en los que m谩s se puedemejorar dicha cobertura. El primer m茅todo es un controlador del movimiento que combina un t茅rmino de gradiente con un t茅rmino que dirige a los robots hacia sus objetivos. Este m茅todo funciona bien en entornos convexos. Para entornos con algunos obst谩culos, el segundom茅todo planifica trayectorias abiertas hasta los objetivos, que son 贸ptimas en t茅rminos de cobertura. Finalmente, para entornos complejos no convexos, presentamos un algoritmo capaz de encontrar particiones equitativas para los robots. En dichas regiones, cada robotplanifica trayectorias de longitud finita a trav茅s de un grafo de caminos de tipo barrido.La parte final de la tesis se centra en entornos discretos, en los que 煤nicamente un conjunto finito de puntos debe que ser cubierto. Proponemos una estrategia que reduce la complejidad del problema separ谩ndolo en tres subproblemas: planificaci贸n de trayectoriascerradas, c谩lculo de tiempos y acciones de cobertura y generaci贸n de un plan de equipo sin colisiones. Estos subproblemas m谩s peque帽os se resuelven de manera 贸ptima. Esta soluci贸n se utiliza en 煤ltimo lugar para una novedosa aplicaci贸n como es el calentamiento por inducci贸n dom茅stico con inductores m贸viles. En concreto, la adaptamos a las particularidades de una cocina de inducci贸n y mostramos su buen funcionamiento en un prototipo real.Recent advances in mobile robotics and an increasing development of aordable autonomous mobile robots have motivated an extensive research in multi-robot systems. The complexity of these systems resides in the design of communication, coordination and control strategies to perform complex tasks that a single robot can not. A particularly interesting task is that of persistent coverage, that aims to maintain covered over time a given environment with a team of robotic agents. This problem is of interest in many applications such as vacuuming, cleaning a place where dust is continuously settling, lawn mowing or environmental monitoring. More recently, the apparition of useful unmanned aerial vehicles (UAVs) has encouraged the application of the coverage problem to surveillance and monitoring. This thesis focuses on the problem of persistently covering a continuous environment in increasingly more dicult settings. At rst, we propose a receding-horizon optimal solution for a centralized system in a convex environment using dynamic programming. Then we look for distributed solutions, which are more robust, scalable and ecient. To deal with the lack of global information, we present a communication-eective distributed estimation algorithm that allows the robots to have an accurate estimate of the coverage of the environment even when they can not exchange information with all the members of the team. Using this estimation, we propose two dierent solutions based on coverage goals, which are the points of the environment in which the coverage can be improved the most. The rst method is a motion controller, that combines a gradient term with a term that drives the robots to the goals, and which performs well in convex environments. For environments with some obstacles, the second method plans open paths to the goals that are optimal in terms of coverage. Finally, for complex, non-convex environments we propose a distributed algorithm to nd equitable partitions for the robots, i.e., with an amount of work proportional to their capabilities. To cover this region, each robot plans optimal, nite-horizon paths through a graph of sweep-like paths. The nal part of the thesis is devoted to discrete environment, in which only a nite set of points has to be covered. We propose a divide-and-conquer strategy to separate the problem to reduce its complexity into three smaller subproblem, which can be optimally solved. We rst plan closed paths through the points, then calculate the optimal coverage times and actions to periodically satisfy the coverage required by the points, and nally join together the individual plans of the robots into a collision-free team plan that minimizes simultaneous motions. This solution is eventually used for a novel application that is domestic induction heating with mobile inductors. We adapt it to the particular setting of a domestic hob and demonstrate that it performs really well in a real prototype.<br /

    Optimal Routing of Unmanned Vehicles in Persistent Monitoring Missions

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    Missions such as forest fire monitoring, military surveillance and infrastructure monitoring are referred to as persistent monitoring missions. These missions rely heavily on continual data collection from various locations, referred to as targets. In this dissertation, we consider a framework in which data is collected from the targets with the aid of unmanned aerial vehicles (UAVs). A UAV makes a physical visit to the targets for data collection, and immediately transmits the collected data to a base station for further analysis. Typically, the duration of these monitoring missions is long, and the monitoring vehicles are required to stay in flight for extended periods of time. Therefore, the batteries powering the UAVs must be recharged regularly at a recharging station/depot. From utilitarian and economic points of view, an efficient execution of these missions calls for two requisites: 1) minimizing the time delay between successive data collections at targets; 2) maximizing the total charge/energy drawn from batteries. The maximum time delay between successive data collections at any target is characterized by a function referred to as the walk revisit time, or simply the revisit time. Given a set of targets and a UAV tasked with monitoring the targets, the charge capacity of the battery powering the UAV can be surrogated by the number of visits the UAV can make to the targets without requiring a recharge. To minimize the wastage of energy resources, a charge penalty is imposed on the visits that are unutilized before each recharge. The aim of this work is to find optimal routes for the UAV(s) to visit the targets such that the sum of the revisit time and the charge penalty is minimized. The optimal route planning problem is determined by a number of factors such as the number of UAVs used for monitoring, the aerial platform on which the monitoring UAVs are built, the location of their depots, relative importance of the targets being monitored, etc. In this dissertation, we focus on equally weighted targets and address four different variants of the problem, all of which are computationally extremely challenging. The variants considered are the following: 1) single UAV with no motion constraints and the depot located at one of the targets; 2) single UAV with curvature constraints on its path and the depot located at one of the targets; 3) single UAV with no motion constraints and its depot stationed at a location different from that of the targets; 4) multiple UAVs with no motion constraints with their depots located at the targets. This dissertation builds on the results of Variant 1; specifically, the characterization of the optimal solutions proved in this dissertation is the main contribution of this dissertation; it lends itself to a new formulation of the same problem that results in significant computational savings. The structural characterization also holds for Variant 2. Inspired by this result, conjectures are provided for the structure of optimal solution for variant 3 and is backed up by extensive numerical simulations. Variant 3 can also be perceived as a special case of targets with different weights/priorities, and therefore, the results developed in this dissertation can potentially be extended to solve a few special cases of the general problem involving arbitrarily weighted targets

    Multi-robot deployment planning in communication-constrained environments

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    A lo largo de los 煤ltimos a帽os se ha podido observar el aumento del uso de equipos de robots en tareas en las cuales es imposible o poco eficiente la intervenci贸n de los humanos, e incluso que implica un cierto grado de riesgo para una persona. Por ejemplo, monitorizaci贸n de entornos de dif铆cil acceso, como podr铆an ser t煤neles, minas, etc. 脡ste es el tema en el que se ha enfocado el trabajo realizado durante esta tesis: la planificaci贸n del despliegue de un equipo de agentes para la monitorizaci贸n de entornos.La misi贸n de los agentes es alcanzar unas localizaciones de inter茅s y transmitirle la informaci贸n observada a una estaci贸n base est谩tica. Ante la ausencia de una infraestructura de comunicaciones, una transmisi贸n directa a la base es imposible. Por tanto, los agentes se deben coordinar de manera aut贸noma, de modo que algunos de ellos alcancen los objetivos y otros realicen la funci贸n de repetidor para retransmitir la informaci贸n.Nos hemos centrado en dos l铆neas de investigaci贸n principales, relacionadas con dos maneras del env铆o de la informaci贸n a la estaci贸n base. En el primer enfoque, los agentes deben mantener un enlace de comunicaci贸n con la base en el momento de alcanzar los objetivos. Con el fin de, por ejemplo, poder interactuar desde la base con un robot que ha alcanzado el objetivo. Para ello hemos desarrollado un m茅todo que obtiene las posiciones 贸ptimas para los agentes utilizados a modo de repetidor. A continuaci贸n, hemos implementado un m茅todo de planificaci贸n de caminos de modo que los agentes pudiesen navegar el m谩ximo tiempo posible dentro de zonas con se帽al. Empleando conjuntamente ambos m茅todos, los agentes extienden el 谩rea de cobertura de la estaci贸n base, estableciendo un enlace de comunicaci贸n desde la misma hasta los objetivos marcados.Utilizando este m茅todo, el equipo es capaz de lidiar con variaciones del entorno si la comunicaci贸n entre los agentes no se pierde. Sin embargo, los eventos tan comunes e irrelevantes para los seres humanos, como el simple cierre de una puerta, pueden llegar a ser cr铆ticos para el equipo de robots. Ya que esto podr铆a interrumpir la comunicaci贸n entre el equipo. Por ello, hemos propuesto un m茅todo distribuido para que el equipo sea capaz de reconectarse, formando una cadena hacia un objetivo, en escenarios donde haya variaciones con respecto al mapa inicial que pose铆an los robots.La segunda parte de la presente tesis se ha centrado en misiones de recopilaci贸n de datos de un entorno. Aqu铆 la comunicaci贸n con la estaci贸n base, en el instante de alcanzar un objetivo, no es necesaria y a menudo imposible. Por tanto, en este tipo de escenarios, es m谩s eficiente que algunos agentes, llamados trabajadores, recopilen datos del entorno, y otros, denominados colectores, re煤nan la informaci贸n de los que trabajan para peri贸dicamente retransmitirla a la base. De este modo tan solo los colectores realizan largos viajes a la estaci贸n base, mientras que los trabajadores emplean la mayor parte de su tiempo exclusivamente a la recopilaci贸n de datos.Primero, hemos desarrollado dos m茅todos para la planificaci贸n de caminos para la sincronizaci贸n entre los trabajadores y colectores. El primero, muestrea el espacio de manera aleatoria, para obtener una soluci贸n lo m谩s r谩pido posible. El segundo, usando FMM, es m谩s lento, pero obtiene soluciones 贸ptimas.Finalmente, hemos propuesto una t茅cnica global para la misi贸n de recopilaci贸n de datos. Este m茅todo consiste en: encontrar el mejor balance entre la cantidad de trabajadores y colectores, la mejor divisi贸n del escenario en 谩reas de trabajo para los trabajadores, la asociaci贸n de los trabajadores para transmitir los datos recopilados a los colectores o directamente a la estaci贸n base, as铆 como los caminos de los colectores. El m茅todo propuesto trata de encontrar la mejor soluci贸n con el fin de entregar la mayor cantidad de datos y que el tiempo de "refresco" de los mismos sea el menor posible.<br /

    Full Proceedings, 2018

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    Full conference proceedings for the 2018 International Building Physics Association Conference hosted at Syracuse University
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